Подшипники поворотного отвала автогрейдера

Введение

Подшипниковые узлы рабочего оборудования автогрейдеров представляют собой критически важные элементы конструкции, обеспечивающие работоспособность машины в условиях высоких эксплуатационных нагрузок. Основное рабочее оборудование автогрейдера включает тяговую раму с поворотным кругом и отвалом, которые соединены системой шарнирных и опорно-поворотных механизмов. Надежность этих узлов определяет производительность машины при выполнении планировочных и профилировочных работ.

Подшипники поворотного отвала работают в сложных условиях, характеризующихся переменными радиальными и осевыми нагрузками, ударными воздействиями при резании грунта, вибрацией и загрязнением рабочей зоны абразивными частицами. Конструкция подшипниковых узлов должна обеспечивать компенсацию несоосности, угловых перемещений и возможность работы при малых скоростях колебательного движения с высокими статическими нагрузками.

Конструкция рабочего оборудования автогрейдера

Основные элементы рабочего оборудования

Рабочее оборудование автогрейдера представляет собой сложную механическую систему, состоящую из нескольких взаимосвязанных узлов. Тяговая рама имеет А-образную или Т-образную конфигурацию и изготавливается из балок коробчатого сечения методом сварки. Передняя часть тяговой рамы соединяется с хребтовой балкой автогрейдера через шаровой шарнир, обеспечивающий возможность отклонения рамы во всех направлениях и вращение вокруг продольной оси машины.

Задняя часть тяговой рамы подвешивается к хребтовой балке на гидроцилиндрах подъема и опускания отвала. К нижней поверхности тяговой рамы крепится поворотный круг с зубчатым венцом, который обеспечивает вращение отвала в горизонтальной плоскости на полный оборот. Между поворотным кругом и тяговой рамой устанавливаются специальные антифрикционные прокладки или опорно-поворотные устройства, обеспечивающие передачу нагрузок и возможность вращения.

Шарнирные соединения тяговой рамы

Передний шкворень тяговой рамы представляет собой сферический шарнир, воспринимающий значительные нагрузки от тягового усилия при резании грунта. В этом узле применяются сферические подшипники скольжения, которые обеспечивают возможность углового перемещения тяговой рамы относительно хребтовой балки. Подшипники данного типа способны компенсировать несоосность и работают при малых скоростях колебательного движения.

Крепление гидроцилиндров к тяговой раме и хребтовой балке также осуществляется через шаровые пальцы с сферическими подшипниками скольжения. Эти узлы работают в условиях переменных нагрузок при подъеме и опускании отвала, а также при компенсации динамических воздействий от неровностей грунта. Конструкция шарнирных соединений предусматривает возможность регулировки зазоров и замены изношенных элементов без полной разборки узла.

Опорно-поворотные устройства поворотного круга

Назначение и конструкция ОПУ

Опорно-поворотное устройство поворотного круга автогрейдера представляет собой специализированный подшипниковый узел большого диаметра, который соединяет поворотный круг с тяговой рамой и обеспечивает передачу радиальных, осевых нагрузок и опрокидывающего момента при возможности вращения на полный оборот. Конструктивно ОПУ состоит из двух колец с дорожками качения, тел качения, сепаратора и уплотнений, защищающих внутреннее пространство от загрязнений.

В автогрейдерах применяются различные типы ОПУ в зависимости от массы машины и условий эксплуатации. Наиболее распространены однорядные шариковые опорно-поворотные устройства, которые при компактных габаритах обеспечивают восприятие комбинированных нагрузок. Внутреннее кольцо ОПУ крепится к тяговой раме болтовыми соединениями, наружное кольцо с зубчатым венцом соединяется с поворотным кругом и приводится во вращение от гидромотора через червячный редуктор.

Типы опорно-поворотных устройств

Шариковые однорядные ОПУ представляют собой радиально-упорные подшипниковые узлы, в которых шарики расположены под углом контакта, обеспечивающим восприятие как радиальных, так и осевых нагрузок. Данная конструкция характеризуется относительно небольшой высотой, что важно для компоновки узла в ограниченном пространстве между тяговой рамой и поворотным кругом. Недостатком однорядных шариковых ОПУ является ограниченная грузоподъемность при восприятии опрокидывающих моментов.

Двухрядные шариковые опорно-поворотные устройства обеспечивают повышенную несущую способность за счет распределения нагрузки на два ряда шариков. Такая конструкция применяется в тяжелых автогрейдерах. Роликовые ОПУ с цилиндрическими или коническими роликами используются реже из-за более сложной конструкции, но обеспечивают максимальную грузоподъемность при работе с особо тяжелыми грунтами.

Зубчатый венец и привод вращения

Наружное или внутреннее кольцо опорно-поворотного устройства оснащается зубчатым венцом для привода вращения поворотного круга. В автогрейдерах применяется гидравлический привод, который через редуктор передает вращение зубчатому венцу ОПУ. Конструкция привода обеспечивает самоторможение, что предотвращает произвольное вращение отвала под действием усилий резания.

Выходной элемент редуктора входит в зацепление с венцом поворотного круга. Для снижения износа зубьев и обеспечения плавности вращения в приводе может применяться фрикционный механизм, который ограничивает крутящий момент при превышении допустимого значения. Система смазки зубчатого зацепления предусматривает подачу консистентной смазки через пресс-масленки с равномерным распределением по всей окружности венца.

Сферические подшипники скольжения тяговой рамы

Конструкция и принцип работы

Сферические подшипники скольжения применяются в шарнирных соединениях тяговой рамы автогрейдера для обеспечения возможности углового перемещения при передаче высоких нагрузок. Конструкция такого подшипника включает внутреннее кольцо со сферической наружной поверхностью и наружное кольцо с сопряженной сферической внутренней поверхностью. Между кольцами отсутствуют тела качения, передача нагрузки происходит через поверхности скольжения.

Основным преимуществом сферических подшипников скольжения является способность компенсировать несоосность сопрягаемых деталей и работать при колебательных движениях с малой амплитудой и частотой. При работе шарнира происходит взаимное перемещение сферических поверхностей колец, что требует обеспечения надежной смазки контактных зон. Внутреннее кольцо подшипника обычно запрессовывается на палец шарнира, наружное кольцо устанавливается в проушину гидроцилиндра или кронштейна.

Материалы и антифрикционные покрытия

Кольца сферических подшипников скольжения изготавливаются из подшипниковых сталей марок ШХ15 и ШХ15СГ согласно ГОСТ 801-78 с последующей термической обработкой для обеспечения твердости рабочих поверхностей 59-65 HRC. Повышенная твердость необходима для сопротивления контактным напряжениям и абразивному износу при попадании загрязнений. Сердцевина колец сохраняет достаточную вязкость для предотвращения хрупкого разрушения при ударных нагрузках.

На внутреннюю сферическую поверхность наружного кольца наносится антифрикционное покрытие, которое снижает коэффициент трения и повышает износостойкость пары скольжения. Применяются металлические антифрикционные материалы на основе бронзы или композиционные покрытия с включением твердых смазок. Современные сферические подшипники могут иметь самосмазывающиеся вкладыши из композиционных материалов, содержащих твердые смазки типа графита или дисульфида молибдена.

Типы сферических подшипников скольжения

Сферические подшипники скольжения классифицируются по конструкции согласно ГОСТ 3635-78. Подшипники типа Ш без отверстий и канавок для смазки применяются при использовании самосмазывающихся вкладышей. Подшипники типа ШС с отверстиями и канавками во внутреннем кольце оснащаются системой централизованной смазки и требуют регулярной подачи консистентной смазки через пресс-масленки.

Подшипники с разъемным наружным кольцом типа ШСЛ используются для упрощения монтажа в узлах, где установка неразъемного подшипника затруднена. Разъем выполняется в продольном или поперечном направлении в зависимости от конструкции узла. Подшипники типа ШСШ с широким внутренним кольцом применяются для восприятия повышенных осевых нагрузок и обеспечения более равномерного распределения напряжений по сферической поверхности.

Эксплуатационные нагрузки и условия работы

Характер нагрузок при работе автогрейдера

Подшипниковые узлы рабочего оборудования автогрейдера подвергаются сложному комплексу нагрузок, который определяется режимом работы машины и характеристиками обрабатываемого грунта. При резании грунта на отвал действует тяговое усилие, которое через поворотный круг и тяговую раму передается на шкворень и далее на хребтовую балку автогрейдера. Величина тягового усилия зависит от глубины резания, угла установки отвала и физико-механических свойств грунта.

Помимо постоянных нагрузок от веса оборудования и тягового усилия, на подшипники действуют переменные и ударные нагрузки при наезде на препятствия, изменении направления движения и корректировке положения отвала. Вертикальные колебания машины при движении по неровной поверхности вызывают знакопеременные нагрузки в шарнирных соединениях гидроцилиндров. Опорно-поворотное устройство воспринимает не только радиальные и осевые нагрузки, но и значительные опрокидывающие моменты при боковом выносе отвала.

Влияние условий эксплуатации на долговечность

Работа автогрейдера в условиях запыленности и загрязнения абразивными частицами грунта создает неблагоприятные условия для подшипниковых узлов. Проникновение песка и пыли в зазоры между кольцами подшипников приводит к интенсивному абразивному износу сопряженных поверхностей. Особенно чувствительны к загрязнению опорно-поворотные устройства с шариками или роликами, где твердые частицы вызывают образование вмятин на дорожках качения.

Температурные условия эксплуатации также влияют на работоспособность подшипников. Согласно ГОСТ 3635-78, при твердости колец 59-65 HRC постоянно действующая температура не должна превышать 120 градусов Цельсия, допускается кратковременная работа подшипников при температуре 150 градусов Цельсия. При низких отрицательных температурах повышается вязкость смазки, что ухудшает условия смазывания поверхностей трения.

Работа под переменными нагрузками

Специфика работы автогрейдера характеризуется частым изменением величины и направления нагрузок на подшипниковые узлы. При профилировании поверхности с изменением угла установки отвала происходит перераспределение нагрузок между правой и левой сторонами подвески тяговой рамы. Поворот отвала в горизонтальной плоскости изменяет направление действия тягового усилия относительно продольной оси машины, что создает дополнительные моменты в шарнирных соединениях.

Переменный характер нагружения требует учета эффекта усталости материалов подшипников. В зонах концентрации напряжений на поверхностях контакта могут возникать микротрещины, которые при циклическом нагружении развиваются и приводят к выкрашиванию материала. Для повышения сопротивления усталости применяется специальная термообработка колец подшипников, обеспечивающая оптимальное сочетание твердости поверхности и вязкости сердцевины.

Требования к материалам и стандарты

Материалы подшипников

Кольца сферических подшипников скольжения изготавливаются из подшипниковых сталей марок ШХ15 и ШХ15СГ согласно требованиям ГОСТ 801-78. Эти высокоуглеродистые хромистые стали после закалки и отпуска обеспечивают твердость рабочих поверхностей 59-65 единиц по шкале HRC. Повышенная твердость необходима для сопротивления контактным напряжениям и абразивному износу при попадании загрязнений. Сердцевина колец сохраняет достаточную вязкость для предотвращения хрупкого разрушения при ударных нагрузках.

Антифрикционные вкладыши подшипников скольжения изготавливаются из оловянистых бронз, алюминиевых сплавов или композиционных материалов на полимерной основе. Бронзовые вкладыши обеспечивают хорошую прирабатываемость и теплопроводность, но требуют надежной смазки. Композиционные материалы с включением твердых смазок позволяют работать при недостатке жидкой смазки или в условиях загрязнения.

Стандарты на подшипники

Производство и контроль качества шарнирных подшипников регламентируется ГОСТ 3635-78, который устанавливает типы подшипников, их размеры, допуски и технические требования. Стандарт соответствует международным нормам ISO 6124-1, ISO 6124-2, ISO 6124-3 и ISO 6125, что обеспечивает взаимозаменяемость подшипников различных производителей. Для подшипников установлено две степени точности, причем первая степень предъявляет повышенные требования к точности размеров и формы рабочих поверхностей.

Параметры шероховатости поверхностей колец подшипников не должны превышать установленных значений для обеспечения минимального износа при трении. Посадочные поверхности под внутреннее кольцо на валу и под наружное кольцо в корпусе должны соответствовать определенным полям допусков. Контроль геометрических параметров подшипников осуществляется согласно требованиям ГОСТ ИСО 12301-95, который устанавливает методы проверки размеров и качества материалов.

Требования к смазочным материалам

Для смазки подшипников скольжения применяются консистентные смазки на литиевой или кальциевой основе с добавлением противоизносных и противозадирных присадок. Смазка должна сохранять работоспособность в широком диапазоне температур. Важным параметром является пенетрация смазки, которая определяет ее консистенцию и способность проникать в зазоры подшипника.

Для опорно-поворотных устройств рекомендуется применение специальных смазок для открытых зубчатых передач с повышенной адгезией, обеспечивающей удержание смазки на поверхностях при вращении. Периодичность подачи смазки зависит от интенсивности работы машины и условий эксплуатации, и определяется руководством по эксплуатации конкретной модели автогрейдера.

Техническое обслуживание подшипниковых узлов

Периодичность обслуживания

Система технического обслуживания подшипниковых узлов автогрейдера включает ежесменный осмотр, периодическое обслуживание и капитальный ремонт. При ежесменном осмотре проверяется состояние уплотнений, отсутствие подтеканий смазки, наличие посторонних шумов при вращении поворотного круга. Обнаруженные неисправности должны устраняться до начала работы машины для предотвращения развития дефектов и аварийных ситуаций.

Периодическое техническое обслуживание выполняется согласно регламенту, установленному производителем машины. Основные операции включают подачу смазки в подшипниковые узлы через пресс-масленки, проверку затяжки резьбовых соединений, контроль зазоров в шарнирах. Важным элементом обслуживания является проверка момента затяжки болтов крепления опорно-поворотного устройства, так как их ослабление приводит к неравномерному распределению нагрузки и ускоренному износу.

Контроль состояния подшипников

Диагностика состояния подшипников осуществляется по косвенным признакам, таким как появление люфта в шарнирных соединениях, повышение усилия поворота отвала, возникновение вибраций и стуков. Для количественной оценки износа измеряется радиальный зазор в подшипниках с помощью индикаторов часового типа. Превышение предельно допустимого зазора указывает на необходимость замены подшипника.

Состояние опорно-поворотного устройства контролируется по моменту сопротивления вращению и наличию люфта при покачивании поворотного круга относительно тяговой рамы. Повышенный момент сопротивления может указывать на заклинивание тел качения из-за попадания загрязнений или на неправильную регулировку зазора. Наличие люфта свидетельствует об износе дорожек качения или ослаблении болтовых соединений колец с монтажными фланцами.

Замена и ремонт подшипников

Замена сферических подшипников скольжения требует демонтажа соответствующего узла и извлечения изношенного подшипника из посадочного места. Внутреннее кольцо обычно запрессовано на палец с натягом и снимается с помощью специальных съемников. Наружное кольцо может выпрессовываться из корпуса или иметь разъемную конструкцию для упрощения демонтажа. Перед установкой нового подшипника посадочные поверхности очищаются и проверяются на отсутствие повреждений.

Ремонт опорно-поворотного устройства при значительном износе экономически нецелесообразен, и узел подлежит замене в сборе. При незначительном износе возможна регулировка зазора путем добавления или удаления прокладок между кольцами ОПУ и монтажными фланцами. Регулировка выполняется при полностью разгруженном устройстве с контролем величины зазора индикаторами. После регулировки проверяется легкость вращения и отсутствие заеданий по всей окружности поворота.

Часто задаваемые вопросы

Заключение

Подшипниковые узлы поворотного отвала и тяговой рамы автогрейдера являются ключевыми элементами, определяющими надежность и производительность машины. Правильный выбор типа подшипников, соблюдение требований к материалам и технологии изготовления, регулярное техническое обслуживание обеспечивают длительный срок службы оборудования. Сферические подшипники скольжения шарнирных соединений и опорно-поворотные устройства поворотного круга работают в сложных условиях переменных нагрузок, ударных воздействий и загрязнения, что требует особого внимания к их состоянию.

Современные технологии производства подшипников включают применение высококачественных материалов, специальных термообработок и антифрикционных покрытий, что повышает эксплуатационные характеристики узлов. Соответствие национальным и международным стандартам гарантирует взаимозаменяемость подшипников и возможность использования продукции различных производителей. Квалифицированное техническое обслуживание с соблюдением периодичности и технологии выполнения операций позволяет максимально реализовать заложенный производителем ресурс подшипниковых узлов.

Источники

1. ГОСТ 3635-78. Подшипники шарнирные. Технические условия.
2. ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия.
3. ГОСТ ИСО 12301-95. Подшипники скольжения. Методы контроля геометрических показателей и показателей качества материалов.
4. ISO 12240-1:1998. Spherical plain bearings - Part 1: Radial spherical plain bearings.
5. ISO 12240-2:1998. Spherical plain bearings - Part 2: Angular contact radial spherical plain bearings.
6. ISO 12240-3:1998. Spherical plain bearings - Part 3: Thrust spherical plain bearings.
7. THK Corporation. Каталог сферических подшипников скольжения. Техническая документация.
8. SKF Group. Radial spherical plain bearings. Technical handbook.
9. Schaeffler Group. Металлополимерные подшипники скольжения. Технический каталог.
10. Баловнев В.И., Завадский Ю.В. Дорожно-строительные машины. Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение. 2021.